B1 - L induction électromagnétique

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1 B1 - L induction électromagnétique L induction électomagnétique est un phénomène physique qui se manifeste par la production d une force électromotrice, f.e.m., dans un conducteur électrique plongé dans un champ magnétique sous certaines conditions. Lorsque le circuit électrique contenant le conducteur est fermé, l apparition de cette f.e.m. s accompagne de la création d un courant appelé «courant induit» 1 Partie théorique 1.1 Origine du phénomène d induction Ce phénomène a pour origine la force de Lorentz F, appliquée aux électrons libres contenus dans le conducteur électrique : F = q E + q v B. (1.1) Les grandeurs q et v sont la charge et la vitesse des particules chargées, c est à dire les électrons pour un métal. E et B sont les champs électrique et magnétique dans lesquels baignent les électrons, les grandeurs vectorielles étant mesurées dans un même référentiel Galiléen. On peut donc faire apparaître un phénomène d induction de deux façons : lorsque l on fait varier le champ magnétique dans lequel est plongé le conducteur, on parle de «l induction de Neumann» : un champ électrique induit est alors créé par la variation du champ magnétique et la f.e.m. est due au premier terme de la force de Lorentz. lorsque l on déplace ou l on déforme le conducteur dans un champ magnétique fixe, on parle de «l induction de Lorentz» : la f.e.m. est alors due au second terme de la force de Lorentz. En fait, suivant le référentiel dans lequel on va se placer, une même expérience se présentera sous l une ou l autre de ces deux formes qui sont donc physiquement équivalentes. La force électromotrice induite correspond au travail par unité de charge de la force de Lorentz pour déplacer les électrons dans le conducteur. 1

2 1.2 Loi de Faraday Une autre façon de décrire le phénomène d induction est d utiliser la loi de Faraday qui exprime la f.e.m. E qui apparaît dans le circuit à partir de la variation temporelle du flux magnétique Φ : E = dφ dt = d B ds circuit. (1.2) dt La variation du flux peut être due soit à une variation du champ magnétique, soit à une variation de la surface coupée par le champ magnétique. Dans ce dernier cas, on parle de «flux coupé», lors du déplacement du circuit par exemple. La force électromotrice ainsi créée, et éventuellement le courant induit, s oppose par ses effets aux causes qui lui ont donné naissance : on parle de la «loi de Lenz». Le phénomène d induction a de nombreuses applications que vous rencontrez même dans la vie de tous les jours. Parmi elles, on peut citer les transformateurs, comme celui qui se trouve dans une alimentation de portable, les alternateurs de voiture ou la dynamo d un vélo, de nombreux moteurs électriques, les plaques à induction, le freinage par induction utilisant les courants de Foucault... 2 Partie expérimentale Vous allez utiliser dans les manipulations qui vont suivre deux bobines complémentaires qui peuvent s emboîter. On les nomme «bobines de Faraday» en référence au physicien qui découvrit l induction électromagnétique dans les années Caractéristiques des bobines : Bobine b 1 : Diamètre : 47mm Longueur enroulement : 116mm Nombre de spires : 1200 Bobine b 2 : Diamètre : 19mm Longueur d enroulement : 112mm Nombre de spires : 250 Avant de commencer les expériences, observez attentivement les deux bobines. Vous regarderez en particulier la petite bobine pour déterminer le sens d enroulement des fils, en les suivant à partir des bornes rouges et noires. Le sens d enroulement est le même pour la grande bobine. 2

3 2.1 Mise en évidence du phénomène d induction Le phénomène d induction est caractérisé par l apparition d une force électromotrice dans un circuit soumis à un champ B. Si le circuit est fermé, cette f.e.m. génère un courant appelé «courant induit». Quelques expériences vont vous permettre de faire apparaître ce phénomène d induction Première expérience Matériel : un aimant permanent, deux bobines complémentaires : les bobines de Faraday, un noyau de fer doux et un oscilloscope. Attention : l utilisation du noyau donne un comportement amplifié, qualitativement identique, mais qui n obéit plus aux formules données dans ce fascicule. Évitez donc de l employer dans les parties quantitatives. Branchez une des bobines de Faraday à l oscilloscope. Déplacez l aimant permanent devant la bobine, en observant le signal sur l oscilloscope. Cherchez la position et l orientation de l aimant qui donnent le signal le plus marqué. Vous pouvez placer le noyau de fer doux dans la bobine pour canaliser les lignes de champ magnétique et amplifier ainsi le phénomène. Décrivez précisément le signal observé dans les deux cas. Que se passe-t-il si c est la bobine que l on déplace devant l aimant? Observez le changement du signe de la tension suivant le déplacement, et établissez une règle systématique. Faites l expérience avec les deux bobines, qui ont un nombre de spires très différents. Décrivez l influence du nombre de spires sur le phénomène d induction. Expliquez cette influence par un raisonnement simple Deuxième expérience Matériel : le deux bobines de Faraday, un noyau de fer doux, un générateur de tension variable et un oscilloscope. Cette fois-ci, la grande bobine, b 1, est reliée à un générateur de signaux à basse fréquence, GBF, elle est parcourue par un courant d intensité i 1 variable, par exemple un signal sinusoïdal de fréquence 1kHz. Qu observez-vous sur l oscilloscope, toujours branché à la bobine b 2? Expliquez comment le signal initial du générateur engendre le signal dans la bobine b 2. Comparez les deux signaux. 2.2 Création d une force électromotrice d induction sinusoïdale Dans cette partie du TP, vous allez utiliser un moteur à courant continu pour faire tourner un aimant permanent. Si vous placez une bobine devant cet aimant, la variation du flux magnétique reçu par la bobine va créer en son sein une f.e.m. d induction. 3

4 Principe du moteur à courant continu, vu aussi en cours : Lorsque l on place une spire parcourue par un courant dans un champ magnétique extérieur, il apparaît un couple de forces de Laplace. Ce couple de forces fait tourner la spire jusqu à aligner le vecteur S, perpendiculaire à sa surface, avec le champ magnétique. Si le sens du courant reste inchangé au cours de ce déplacement, le couple de rotation diminue constamment jusqu à s annuler dans cette dernière position où la spire est perpendiculaire au champ magnétique. Le moteur continu utilise ce principe : un stator crée un champ magnétique ; ce stator peut être constitué d aimants permanents ou d électro-aimants. Un rotor porte des spires conductrices parcourues par un courant continu, fourni par l alimentation du moteur ; ces spires, soumises alors à des forces de Laplace, entraînent la rotation du rotor. Afin d avoir un couple qui ne varie pas avec l angle de rotation, comme c est le cas pour la spire, il y a plusieurs enroulements répartis de façon régulière sur le pourtour du rotor. Dès qu une de ces spires passe dans sa zone neutre, le courant qui la traverse est inversé grâce à un dispositif de contacts tournants : le collecteur. Nord stator I m R i U m E rotor alimentation collecteur Sud stator Figure 1 Le schéma électrique du rotor est idéalisé par la figure 1. U m désigne la tension d alimentation du moteur, I m le courant qui traverse les spires du rotor, et une force électromotrice E est induite par la variation de flux magnétique à travers chaque spire lors de la rotation (voir expérience 1 de ce TP). La valeur moyenne E de cette f.e.m. est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation ω du rotor et au flux maximal Φ du champ magnétique à travers une spire du rotor. La constante de proportionnalité K dépend des caractéristiques du moteur, comme le nombre de spires, la surface de chaque spire... On a E = KΦω (2.1) 4

5 En appliquant la loi des mailles dans le circuit alimentation + moteur, cette f.e.m. s exprime aussi en fonction de la tension U i délivrée par le générateur et de la résistance interne R i des spires : E = U m R i I m (2.2) Lorsque le moteur n est pas freiné, il n a pas besoin de fournir de couple (ou puissance) et le courant I m absorbé est pratiquement nul. On peut alors écrire U m = KΦω. (2.3) Création d une tension alternative par rotation d une bobine devant un aimant permanent Matériel : un ensemble rotor-collecteur-balais entraîné par une manivelle, un aimant en U, un oscilloscope. Branchez l oscilloscope au niveau des balais puis tournez la manivelle. Représentez et interprétez le signal observé en essayant les deux sens de rotation Création d une tension alternative par rotation d un aimant devant une bobine, et mesure de la vitesse du moteur Matériel : une alimentation 0 30V utilisée entre 0 et 10V, un ensemble rotor-collecteur-balais qui entraîne un aimant tournant, un aimant en U, une des deux bobines de Faraday, un oscilloscope. Attention : Le moteur ne supporte qu une tension inférieure à 12V. Observez et comprenez comment les différents éléments du moteur permettent son fonctionnement, en vous aidant éventuellement du descriptif théorique précédent. Alimentez le moteur avec une tension inférieure à 10V, par exemple 7V. Le moteur entraîne l aimant permanent mobile par l intermédiaire de la courroie. Placez la bobine devant cet aimant tournant et visualisez le signal ainsi généré sur l oscilloscope. Dessinez la forme de ce signal, en vous aidant éventuellement de la fonction «arrêt sur image» de l oscilloscope. Interprétez les différentes parties du signal en les reliant aux différentes étapes du mouvement de l aimant sur un dessin. Expliquez cette correspondance d abord avec la loi de Faraday, puis avec la loi de Lenz. À partir du signal de l oscilloscope, évaluez la vitesse de rotation de l aimant. Puis, en utilisant les diamètres intérieurs des deux poulies, trouvez la vitesse du moteur. Observez à l aide de l oscilloscope la tension d alimentation du moteur. Elle devrait être continue et ne l est pas tout à fait. En interprétant précisément l origine de cette fluctuation, trouvez une autre façon d évaluer la vitesse du moteur. Comparez les deux méthodes pour quelques valeurs de la vitesse. 5

6 2.2.3 Relation entre la tension d alimentation et la vitesse du moteur À l aide d une des méthodes trouvées dans la section précédente, évaluez la vitesse du moteur pour une dizaine valeurs de la tension d alimentation entre 0 et 10V. Encadrez vos valeurs par un domaine d incertitude Vérifiez que la tension d alimentation et la vitesse sont bien proportionnelles, comme le prévoit la formule (2.3) de la théorie. Évaluez graphiquement le coefficient de proportionnalité a, ainsi que son incertitude a en utilisant les barres d erreurs des points expérimentaux. Mesurez la valeur du champ magnétique dans l aimant en «U» utilisé à l aide d un Teslamètre, puis refaites la même série de mesures de vitesses en plaçant le rotor dans un champ magnétique différent que vous mesurerez également. Vérifiez ainsi que le coefficient directeur a de vos droites est bien proportionnel à Φ comme dans (2.3). 2.3 Loi de Faraday Matériel : un générateur de tension alternative, un oscilloscope, les deux bobines de Faraday b 1 et b 2, un noyau de fer doux, une résistance R de quelques kω. Attention : l utilisation du noyau donne un comportement amplifié qualitativement identique, mais qui n obéit plus aux formules données dans ce fascicule. b 2 b 1 GBF R I 1 Figure 2 Réalisez le montage de la figure 2. Le GBF est relié à la grande bobine, b 1, au travers de la résistance R. La bobine b 2 est emboîtée dans b 1, et éventuellement vous pouvez mettre un noyau de fer doux dans b 2 pour mieux voir le phénomène qualitativement. Quelle est l action physique du noyau de fer doux? Branchez la voie 1 de l oscilloscope aux bornes de la résistance, et la voie 2 aux bornes de la bobine b 2. À quelles tensions correspondent ces deux signaux? 6

7 Représentez la tension Ri 1 (t) et la f.e.m. e 2 (t) en fonction du temps, sur quelques périodes, et pour trois types de signaux : carré, triangulaire et sinusoïdal de fréquence 1kHz. Augmentez la fréquence, et décrire comment se déforme le signal, mis à part le fait que la période diminue. Expliquer l origine physique de cette déformation. Si la bobine b 1 peut être assimilée à un long solénoïde, donnez l expression du flux magnétique φ 2 (t) traversant la bobine b 2, en fonction du courant i 1 (t). Utilisez maintenant un signal triangulaire de fréquence 1kHz du GBF. Pour deux demipériodes, calculez le coefficient directeur de la portion de droite de la tension aux bornes de la résistance. Déduisez-en di 1 /dt, puis la valeur théorique de e 2 (t) en utilisant l expression du flux magnétique φ 2 (t) obtenue précédemment et la loi de Faraday e 2 (t) = dφ 2 (t). (2.4) dt Comparez cette valeur à la celle mesurée sur l oscilloscope. Commentez leur écart éventuel en vous appuyant sur une évaluation quantitative des incertitudes. 2.4 Auto-induction Matériel : un générateur de tension alternative à masse flottante, un oscilloscope, la petite bobines de Faraday b 2, une résistance R de 2kΩ. Attention : pendant la manipulation, éloignez la bobine du GBF. Y A b 2 GBF Y B R masse GBF et oscillo Figure 3 Réalisez le montage de la figure 3 : branchez en série le GBF, règlé sur une tension sinusoïdale de 10kHz, la petite bobine b 2 et la résistance R. Branchez l oscilloscope de façon à mesurer la tension GBF en voie A et la tension Ri(t) en voie B, i(t) étant le courant qui parcourt le circuit. L oscilloscope permet d effectuer numériquement la différence entre le signal A et le signal B. D après la loi 7

8 des mailles, cette différence est la tension u L (t) aux bornes de la bobine. Vous devriez alors obtenir un oscillogramme du type de celui indiqué sur la figure 4, bien que ce dernier soit très idéalisé. Expliquez pourquoi vous n obtenez pas réellement un signal triangulaire et un signal carré. Mesurez Ri, t et u L (t) pour quelques valeurs de la fréquence comprises entre 2kHz et 15kHz. Calculez i et i/ t pour chacune des mesures. Tracez la courbe u L = f( i/ t). Déterminez le coefficient directeur de la droite obtenue. Montrez qu il correspond à l inductance L de la bobine, et s exprime donc en Henry (H). Comparez cette valeur à l inductance théorique que vous calculerez à partir des caractéristiques de la bobine b 2. Commentez la différence éventuelle en vous appuyant sur un calcul d incertitude. u (t) L t Ri(t) t Ri Figure 4 8